रेडिओ खगोलशास्त्र आणि जीएमआरटी (रेडिओ दुर्बीण)- विज्ञानभाषा मराठी

रात्री आकाशात दिसणाऱ्या तारे, ग्रह, चंद्र, धूमकेतू अशा सगळ्यांबद्दल मानवाला नेहमीच कुतूहल वाटत आलेले आहे. अगदी प्राचीन काळापासून मानव नुसत्या डोळ्यांनी आकाशाचे निरीक्षण करत आलेला आहे. इ.स. सोळाव्या शतकात गॅलिलिओने आकाशाकडे दुर्बीण रोखण्यापूर्वी केवळ डोळ्यांचा वापर करून भारतीय, चिनी, ग्रीक, इन्का इत्यादी संस्कृतींमधल्या माणसांनी रात्री दिसणाऱ्या चंद्राचे, ताऱ्यांचे, ग्रहांचे भरपूर निरीक्षण केलेले होते आणि त्यांच्या गतीविषयीही आपले अंदाज मांडलेले होते. दुर्बिणीचा वापर सुरू झाल्यापासून मात्र माणसाच्या खगोलशास्त्रविषयक ज्ञानात मोलाची भर पडली. काळानुसार विज्ञान आणि तंत्रज्ञानात झालेल्या प्रगतीचा वापर करून खगोलशास्त्रातही बरीच मोठी मजल मारली गेली. विसाव्या शतकात खगोलनिरीक्षणासाठी फक्त दृश्य प्रकाशावर अवलंबून न राहता इतर प्रकारच्या लहरींचा उपयोग करायलाही सुरुवात झाली.

या इतर प्रकारच्या लहरी कोणत्या? अवकाशात असलेले तारे त्यांच्या अंतरंगात घडत असलेल्या घडामोडींमुळे विद्युच्चुंबकीय लहरींचं ( electromagnetic waves) उत्सर्जन करत असतात. आपल्याला दिसणारा प्रकाश हाही विद्युच्चुंबकीय लहरींचा एक प्रकार आहे. एएम आणि एफ़एम रेडिओच्या लहरी, दूरचित्रवाणीच्या लहरी, उपग्रहांकडून होणारे संदेशवहन, क्ष-किरण, मायक्रोवेव्ह्ज ही सगळी या विद्युच्चुंबकीय लहरींची विविध रूपं आहेत. या विविध रूपांपैकी काही रूपांचा वापर खगोलशास्त्राच्या अभ्यासासाठी केला जातो. त्यासाठी ऑप्टिकल दुर्बिणी ( उदा. आपण नेहमी पाहतो त्या लहान दुर्बिणी किंवा आयुकाची गिरवली येथील महाकाय दुर्बीण, अवकाशात असलेला हबल स्पेस टेलिस्कोप इत्यादी), एक्स रे आणि गॅमा रे टेलिस्कोप, रेडिओ दुर्बिणी ( उदा.जीएमआरटी, जॉड्रेल बँक, अरेसिबो इत्यादी) अशी साधने वापरली जातात.

हा आहे विद्युच्चुंबकीय लहरींचा वर्णपट ( spectrum). यात आपण जसे उजवीकडून डावीकडे जाऊ, तशी लहरींची तरंगलांबी ( wavelength) कमी होत जाते, तर लहरींची वारंवारिता ( frequency) आणि लहरींमधील ऊर्जा ( energy) वाढत जाते. या वर्णपटातल्या २ ’ खिडक्या’ आपल्याला अवकाशात डोकावून पाहण्यासाठी उघड्या आहेत. त्या खिडक्या म्हणजे दृश्य प्रकाश ( visible light) आणि रेडिओ लहरी. अवकाशातील तार्यांकडून येणार्या लहरींपैकी बाकी जवळजवळ सर्व लहरी ( एक्सरे, गॅमा रे इत्यादी) पृथ्वीच्या वातावरणामुळे वरच्या वर रोखल्या जातात. जणू त्या खिडक्यांवर वातावरणाचा जाड पडदा ओढलेला आहे. त्यामुळे त्या लहरींचा अभ्यास करायचा असेल तर तो त्या पडद्यापलीकडे, म्हणजेच पृथ्वीच्या वातावरणापलीकडे जाऊन करावा लागतो.

Credit:
ESA/Hubble (F. Granato)

रेडिओ दुर्बिणींमधून अवकाशातल्या रेडिओ स्त्रोतांचा अभ्यास केला जातो. सूर्य हाही एक रेडिओ स्त्रोत आहे. त्याचप्रमाणे आपल्या आकाशगंगेचे केंद्र हाही एक महत्त्वाचा रेडिओ स्त्रोत आहे. याशिवाय इतर तारकाविश्वे/ दीर्घिका (galaxies), स्पंदक ( pulsars) अशा अनेक रेडिओ स्त्रोतांची निरीक्षणे रेडिओ दुर्बिणींद्वारे घेतली जातात. विश्वाची निर्मिती, विश्वाच्या प्रसरणाचा वेग अशा खगोलभौतिकशास्त्रातल्या ( astrophysics) अनेक महत्त्वाच्या प्रश्नांवर या निरीक्षणांद्वारे संशोधन केले जाते. त्याचबरोबर, परग्रहावर जर कुठे प्रगत जीवसृष्टी असेलच, तर तिचा वेधही रेडिओ दुर्बिणींमार्फत घेतला जाण्याची शक्यता आहे.

आता आपण दुर्बिणींचा आकार ठरवताना कुठल्या कुठल्या गोष्टी महत्त्वाच्या ठरतात ते पाहू.

दुर्बीण ऑप्टिकल असो किंवा रेडिओ किंवा एक्स-रे, भिंग वापरून तयार केलेली असो वा परावर्तक वापरून, तिची बारकावे दाखवण्याची क्षमता ( resolution) प्रामुख्याने दोन गोष्टींवर अवलंबून असते. पहिली गोष्ट म्हणजे दुर्बिणीच्या ग्राहकाचा, म्हणजे दुर्बिणीच्या भिंगाचा/ परावर्तकाचा (लहानमोठा) आकार ( याला आपण D म्हणू) आणि दुसरी गोष्ट म्हणजे दुर्बिणीवर पडणार्या लहरींची तरंगलांबी ( Lambda). या दोन्हींमधलं गुणोत्तर ( D/lambda) हे जितकं जास्त, तितकी दुर्बिणीची बारकावे टिपण्याची क्षमता जास्त. तरंगलांबी सारखीच असेल, तर दुर्बिणीचा व्यास जितका जास्त, तितकी बारकावे टिपण्याची क्षमता जास्त. ( मूळ सूत्रात D हा व्यास या अर्थाने नाही, तर आकार मोजण्याचा एक निकष म्हणून घेतलेला आहे. पण आपण सोपेपणासाठी इथे व्यास म्हणतोय) म्हणूनच, डोळ्यांनी जे बारकावे दिसत नाहीत, ते ४ इंच व्यासाचा आरसा किंवा भिंग असलेल्या ऑप्टिकल दुर्बिणीतून अतिशय स्पष्ट दिसतात. ( उदा. डोळ्यांनी आपल्याला शनीची कडी किंवा गुरूचे उपग्रह दिसत नाहीत, पण ४ इंची दुर्बिणीतून दिसतात) कारण डोळा आणि ऑप्टिकल दुर्बीण, दोन्ही दृश्य प्रकाशाचा वापर करतात. म्हणजेच, तरंगलांबी तीच, पण व्यास वाढला, त्यामुळे रिझोल्यूशन वाढलं. रेडिओ दुर्बीण तयार करायची असेल, तर मात्र २ किंवा ४ इंच व्यासाचा अँटेना पुरणार नाही. असं का बरं?

याचं उत्तर शोधण्यासाठी आता आपण परत मगाचच्या वर्णपटाकडे जाऊया. दृश्य प्रकाशाच्या तरंगलांबीपेक्षा रेडिओ लहरींची तरंगलांबी लाखो-करोडो पटीने जास्त असते. त्यामुळे उत्तम resolution मिळवण्यासाठी दुर्बीणही लाखो-करोडो पटीने मोठी हवी, महाकाय असायला हवी.

अशा महाकाय रेडिओ दुर्बिणी जगात अनेक ठिकाणी बांधल्या गेल्या आहेत ( उदा. अमेरिकेतील अरेसिबो येथील तब्बल ३०५ मीटर व्यासाची एकच डिश असणारी रेडिओ दुर्बीण). परंतु दुर्बीण आकाराने जितकी मोठी, तितकी ती फिरवायला (ऑपरेट करायला) अवघड. यावर उपाय म्हणून अनेक दुर्बिणींचा एक समूह बनवला जातो आणि त्यांनी घेतलेल्या वेधांचा एकमेकांशी समन्वय साधून त्यातून निष्कर्ष काढले जातात. या तंत्राला Interferometry असं म्हणतात.

Interferometry चं तत्त्व वापरणारी अशीच एक अक्षरश: महाकाय, जायंट दुर्बीण आपल्या पुण्याजवळच्या जुन्नर तालुक्यात खोडद या ठिकाणी आहे. तिचं नाव जायंट मीटरवेव्ह रेडिओ टेलिस्कोप (GMRT), म्हणजेच मीटर तरंगलांबी असणार्‍या लहरींचा वापर करणारी महाकाय दुर्बीण. साधारणपणे २० सेमी ते २ मीटर तरंगलांबी असलेल्या रेडिओ लहरींचा अभ्यास येथे केला जातो. जीएमआरटीमध्ये ४५ मीटर्स व्यास असणारे, ३० डिश अँटेना आहेत. त्यापैकी १४ अँटेना केंद्रस्थानी असलेल्या १ चौरस किमी क्षेत्रफळात ( central square मध्ये) आहेत,तर Y अक्षराच्या आकारात पसरलेल्या ३ भुजांवर एकूण १६ अँटेना आहेत. या भुजा साधारणपणे प्रत्येकी १४ किमी लांब आहेत. अशा प्रकारे या अँटेना बसवण्याचे कारण Aperture synthesis या संकल्पनेत आहे. याच्या फार खोलात न जाता आपण एवढेच लक्षात घेऊ, की एकमेकांपासून क्ष अंतरावर असलेल्या २ किंवा अधिक रेडिओ अँटेनांनी एखाद्या रेडिओ स्त्रोताची, तो स्त्रोत उगवल्यापासून मावळेपर्यंत पुरेशी जास्त निरीक्षणे घेतली, तर त्या निरीक्षणांमधून मिळणारा एकत्रित निष्कर्ष वापरून, त्यावर गणिती प्रक्रिया करून त्या रेडिओ स्त्रोताची जी प्रतिमा तयार होते, ती जवळजवळ क्ष व्यासाच्या एकाच मोठ्या दुर्बिणीतून निरीक्षण घेऊन तयार केलेल्या प्रतिमेइतकी चांगली करता येते.

जीएमआरटीच्या डिश अँटेना कशा प्रकारे उभारलेल्या आहेत त्याचे एक प्रतिरूप

वरच्या फोटोमध्ये आपल्याला जीएमआरटीचा एक डिश अँटेना दिसतोय. या अँटेनाची जी खोलगट डिश आहे, ती परावर्तक किंवा आरसा म्हणून काम करते. अवकाशातल्या रेडिओ स्त्रोतांकडून येणार्या लहरी या परावर्तकावर आदळतात आणि परावर्तित होऊन त्या परावर्तकाच्या नाभीवर ( focal point) एकत्र येतात. या ठिकाणी या लहरी झेलण्यासाठी दुसरा एक अँटेना बसवलेला असतो. हा दुसरा अँटेना या विद्युच्चुंबकीय लहरी पकडतो आणि त्यांचे विद्युतप्रवाहात रूपांतर करतो. हा विद्युतप्रवाह अगदी क्षीण असतो. त्यामुळे तो विविध टप्प्यांवर वर्धित ( amplify) करून, त्यावर योग्य त्या गणिती प्रक्रिया करून त्याचा अभ्यास केला जातो.

हे एवढे मोठे अँटेना बनवताना त्यात व्यावहारिक अडचणी अर्थातच बर्याच असतात. शिवाय भारतासारख्या विकसनशील देशात खर्चावरही मर्यादा येतात. अमेरिकेतील व्हेरी लार्ज अ‍ॅरे ( VLA) या रेडिओ दुर्बिणीच्या धर्तीवर जीएमआरटीची Y आकाराची रचना केली गेली आहे, पण VLA मधील डिश अँटेना या रेलवर सरकू शकणार्‍र्‍या आहेत. त्यामुळे त्यांच्यातील अंतर आवश्यकतेप्रमाणे कमीजास्त करता येते. ही खर्चिक सुविधा GMRT मध्ये नसली, तरी केंद्रस्थानी एकमेकींजवळ असलेल्या १४ दुर्बिणी आणि तीन भुजांमध्ये लांबवर पसरलेल्या एकूण १६ दुर्बिणी ही ( कमीजास्त अंतरांची ) कसर भरून काढतात. परावर्तकाच्या नाभीवर असलेले, लहरी ’झेलणारे' अँटेना ( feed antennas) तयार करतानाही कमीतकमी खर्चात जास्तीत जास्त परिणामकारक आणि उत्कृष्ट परिणाम कसे मिळवता येतील याचा विचार केला गेलेला आहे. डिशचे एकूण वजन आणि वार्यामुळे होणारा अवरोध कमी करण्यासाठी SMART ( Stretched mesh attached to rope trusses) हे नवीन तंत्रज्ञान शोधून काढण्यात आले. म्हणजेच, एक सलग डिश न बांधता जाळी वापरून, तिला योग्य आकारात ताणून धरून हे अँटेना तयार करण्यात आले.

जीएमआरटीच्या भव्यतेची कल्पना यावी म्हणून हे प्रकाशचित्र.

प्रथमच बघत असू, तर अँटेनाजवळ गेल्यावर त्याच्या आकारामुळे आणि उंचीमुळे आपल्याला दडपून जायला होतं. शिवाय, ऑप्टिकल दुर्बिणीतून जसे आपल्याला तारे, ग्रह ’दिसतात’ तसे या दुर्बिणीतून थेट ’दिसत’ नाहीत. अनेक किचकट गणिती प्रक्रियांनंतर रेडिओ स्त्रोताची ’ प्रतिमा’ मिळते.

दर शुक्रवारी जीएमआरटी सर्वसामान्यांना भेट देण्यासाठी खुली असते. अर्थातच आधी परवानगी घेऊन. राष्ट्रीय विज्ञान दिनानिमित्त तिथे मोठे विज्ञान प्रदर्शनही भरवले जाते.

तांत्रिकदृष्ट्या बराच गुंतागुंतीच्या आणि आव्हानात्मक असणार्या या संशोधनक्षेत्रात प्रा. गोविंद स्वरूप यांच्या नेतृत्वाखाली भारतीय शास्त्रज्ञांनी बरीच मोठी कामगिरी केली आहे. प्रा. गोविंद स्वरूप हे भारतातल्या रेडिओ खगोलशास्त्राचे प्रणेते. स्टॅनफर्ड विद्यापीठातून १९६० साली पीएचडी केल्यानंतर ते १९६३ मध्ये भारतात परत आले आणि टाटा मूलभूत संशोधन संस्थेत (TIFR) रुजू झाले. त्यांच्या नेतृत्वाखाली १९७० साली उटी येथील रेडिओ दुर्बीण आणि २००० साली खोडद येथील जीएमआरटी या भारताला अभिमानास्पद असलेल्या रेडिओ दुर्बिणी बांधल्या गेल्या. आज एक्क्याण्णवाव्या वर्षीही प्रा. स्वरूपांना रेडिओ खगोलशास्त्राबद्दल आणि विज्ञानप्रसाराबद्दल तितकीच आस्था आणि तितकाच उत्साह आहे.

प्रा. गोविंद स्वरूप

संदर्भ: http://www.eso.org
http://www.gmrt.ncra.tifr.res.in
http://www.ncra.tifr.res.in
https://www.miniphysics.com
https://en.wikipedia.org
आकाशाशी जडले नाते - प्रा. जयंत नारळीकर